concentración de antocianinas en jugo de cranberries

71
UNIVERSIDAD AUSTRAL DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS ESCUELA DE INGENIERÍA EN ALIMENTOS Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries (Vaccinium macrocarpon Ait.) mediante Nanofiltración Tesis presentada como parte de los requisitos para optar al grado de Licenciado en Ciencias de los Alimentos Susan Mercedes Poo Barrera VALDIVIA – CHILE 2005

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Page 1: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

UNIVERSIDAD AUSTRAL DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS

ESCUELA DE INGENIERÍA EN ALIMENTOS

Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries (Vaccinium macrocarpon Ait.) mediante Nanofiltración

Tesis presentada como parte de los

requisitos para optar al grado de

Licenciado en Ciencias de los Alimentos

Susan Mercedes Poo Barrera

VALDIVIA – CHILE

2005

Page 2: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

PROFESOR PATROCINANTE:

MARCIA COSTA L.

Ingeniero Civil Bioquímico, Diploma Ingeniería

Industrial

Instituto de Ciencia y Tecnología de los Alimentos

PROFESOR COPATROCINANTE:

VIVIANA SOTO

Ingeniero en Alimentos

Agrícola Cranchile

PROFESOR INFORMANTE:

KONG SHUN AH-HEN

Ingeniero en Alimentos, Doctor en Ingeniería

Instituto de Ciencia y Tecnología de los Alimentos

Page 3: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

A mis padres, por su amor incondicional

A mis hermanos, por su apoyo

A Rodrigo, contigo aprendí

a ver la luz del otro lado de la luna.

Page 4: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

AGRADECIMIENTOS

A mi profesora patrocinante, Sra. Marcia Costa por su constante apoyo en el desarrollo de

esta tesis.

A mi profesor informante, Dr. Ing. Kong Shun Ah-Hen, por su apoyo y buena disposición.

A mi profesora copatrocinante, Viviana Soto, Ingeniero en Alimentos de Cran Chile por su

importante colaboración.

A todo el personal del Instituto de Ciencia y Tecnología de los Alimentos, y en especial a la

Sra. Marcia Rojas.

A todos quienes de alguna u otra manera contribuyeron a la realización de esta tesis.

Page 5: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

i

ÍNDICE DE MATERIAS

Capítulo Página

1 INTRODUCCIÓN 1

2 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 3

2.1 Cranberry 3

2.1.1 Jugo de cranberries 5

2.1.2 Composición química del jugo de cranberries 5

2.2 Antocianinas 5

2.2.1 Estabilidad de las antocianinas 8

2.2.2 Efecto del pH sobre el color de las antocianinas 9

2.2.3 Antocianinas como colorantes alimenticios 11

2.3 Tecnologías de filtración por membrana 13

2.3.1 Proceso de separación por membranas 14

2.3.2 Principales aplicaciones de las tecnologías de membrana 16

2.3.3 Clasificación de las membranas 17

2.3.4 Polarización de concentración 18

2.3.5 Nanofiltración 19

2.3.6 Cálculos para procesos de nanofiltración 21

2.3.7 Factores que afectan al flujo de permeado 22

2.4 Concentración de pigmentos por tecnologías de membrana

en jugos de frutas

24

3 MATERIAL Y MÉTODO 26

3.1 Ubicación del ensayo 26

3.2 Material 26

Page 6: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

ii

3.2.1 Materia prima 26

3.2.2 Equipos 27

3.3 Metodología 27

3.3.1 Diseño experimental 27

3.3.2 Preparación del jugo a filtrar 28

3.3.3 Análisis del jugo de filtrar (alimentación) 28

3.3.4 Nanofiltración a nivel de laboratorio 29

3.3.5 Caracterización de muestras de permeado y concentrado 31

3.3.6 Evaluación del proceso 31

3.3.6.1 Variables que afectan al flujo de permeado 32

3.3.6.2 Capacidad de separación de la membrana 33

4 PRESENTACIÓN Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 34

4.1 Caracterización de muestras de alimentación, permeado y

concentrado

35

4.2 Efecto del flujo volumétrico de alimentación y la presión

transmembrana sobre el flujo de permeado

39

4.3 Capacidad de retención de antocianinas de la membrana

utilizada

43

5 CONCLUSIONES 47

6 RESUMEN 48

SUMMARY 49

7 BIBLIOGRAFÍA 50

ANEXOS 53

Page 7: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

iii

ÍNDICE DE CUADROS

Cuadro Página

1 Composición química del fruto de cranberry 4

2 Análisis nutricional de jugo de cranberry concentrado

(50 ºBrix)

7

3 Características del jugo concentrado de cranberry utilizado

como materia prima

26

4 Matriz de ensayos para un diseño experimental 32 con 3

repeticiones

28

5 Características de las membranas para nanofiltración HC-

50P DDS Filtration y límites de operación recomendados por

el fabricante

30

6 Procedimiento de lavado de membranas de nanofiltración 32

7 Resumen de ensayos realizados 35

8 Caracterización de muestras de alimentación, permeado y

concentrado

36

9 Capacidad de retención de antocianinas de jugo de

cranberries de la membrana HC-50P (DDS Filtration) en cada

ensayo de nanofiltración

44

10

Contenido de antocianinas de las muestras de concentrado

obtenidas en el ensayo 5 44

Page 8: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

iv

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura Página

1 Línea de flujo jugo concentrado de cranberry 6

2 Estructura básica de las antocianinas 8

3 Reacciones de la transformación estructural de malvidina-3-

glicósido en el intervalo de pH de 1 a 7

10

4 Espectro de absorción de cianidina-3-ramnoglucósido a

distintos valores de pH

11

5 Espectro de aplicación de los procesos de separación por

membranas

16

6 Selectividad de las membranas de nanofiltración versus otras

tecnologías de filtración por membrana

20

7 Equipo de membranas planas DDS Lab (module 20-0 36 Lab) 30

8 Acidez titulable de las muestras de alimentación, permeado y

concentrado para cada ensayo

37

9 Sólidos solubles de las muestras de alimentación, permeado

y concentrado para cada ensayo

38

10 Contenido de antocianinas de las muestras de alimentación,

permeado y concentrado para cada ensayo

38

11 Efecto del flujo volumétrico de alimentación sobre los flujos

instantáneos de permeado a diferentes Fc

40

12 Efecto de la presión transmembrana sobre los flujos

instantáneos de permeado a diferentes Fc

42

13 Cálculo del coeficiente de retención de antocianinas para el

ensayo 5

45

14 Muestras de concentrado y permeado 46

Page 9: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

v

ÍNDICE DE ANEXOS

Anexo Página

1 Determinación del contenido de antocianinas 54

2 Factor de concentración del retenido en función del tiempo de

proceso

57

3 Flujo instantáneo de permeado en función del tiempo de

proceso

58

4 Análisis estadístico realizado en Statgraphics Plus 5.1 para

estudiar el efecto de condiciones de operación sobre el flujo

de permeado

59

5 Análisis estadístico realizado en Statgraphics Plus 5.1 para

estudiar el efecto de condiciones de operación sobre el

coeficiente de retención de antocianinas

61

Page 10: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

1. INTRODUCCIÓN

En la actualidad, los pigmentos de zumo de fruta han adquirido gran

importancia como “colorantes naturales”, sustituyendo así a los colorantes

sintéticos. Dentro de ellos se encuentran las antocianinas, pigmentos solubles

en agua responsables de los colores anaranjados, rojos y púrpuras de flores y

frutas. Pese a que las antocianinas abundan en la naturaleza, estos pigmentos

son difíciles de purificar para ser empleados como aditivo en alimentos.

Por otro lado, la aplicación de tecnologías de membrana en la industria

alimentaria se ha diversificado ampliamente desde sus comienzos a principios

de los años sesenta, debido a las ventajas que presentan en relación a otras

tecnologías como la evaporación. El rango de aplicaciones se extiende desde la

microfiltración a la osmosis inversa, incluyendo varios sectores de la industria,

como el sector lácteo, de frutas y hortalizas, de bebidas, de procesado de

granos y de azúcar; siendo la industria láctea una de las principales utilizadoras

de la separación por membrana. La nanofiltración es un proceso con un rango

de selectividad de moléculas entre la ultrafiltración y la osmosis inversa, con un

alto potencial de uso en la industria alimentaria, principalmente en la industria

de bebidas, donde constituye una buena alternativa para fraccionar o

concentrar, recuperar aromas y purificar antocianinas en jugos de frutas. La

utilización de nanofiltración en lugar de osmosis inversa para la concentración

de jugos puede mejorar la eficiencia del proceso, disminuyendo los

requerimientos de energía.

Si bien es cierto, existe investigación relacionada con la concentración de

antocianinas en jugos de frutas por sistemas de membrana, resulta interesante

para la industria de alimentos, estudiar la aplicación de estas tecnologías a jugo

de cranberries elaborado en la X Región.

1

Page 11: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

2

Hipótesis:

Si se aplica la tecnología de nanofiltración a jugo de cranberries, entonces es

posible concentrar los pigmentos antocianos con una mínima pérdida de éstos

en el permeado.

Objetivo general:

Obtener un concentrado de antocianinas mediante la aplicación de la tecnología

de nanofiltración a jugo de cranberries.

Objetivos específicos:

• Aplicar el proceso de nanofiltración a jugo de cranberries para la obtención

de un concentrado de antocianinas a presiones y flujos de operación

constantes.

• Caracterizar muestras de permeado y concentrado obtenidas bajo distintas

condiciones de proceso.

• Evaluar la capacidad de retención de antocianinas de la membrana de

nanofiltración.

• Determinar el efecto de dos parámetros de operación, presión aplicada y

flujo volumétrico de alimentación, sobre el flujo de permeado.

Page 12: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

2. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

2.1 Cranberry El cranberry americano, Vaccinium macrocarpon Ait., también conocido como

cranberry de fruto grande, es una especie que crece en forma silvestre en los

EE.UU.; su cultivo industrial comienza a principios del siglo XIX en el sudeste

de Massachussets, donde el bajo pH de los terrenos y la abundancia de arena

crearon las condiciones ideales para un óptimo crecimiento del cranberry. En

1889 se estableció la primera empresa comercial e industrial de cranberry.

Actualmente, EE.UU. es el principal país productor de cranberries en cuanto a

superficie plantada, seguido por Canadá y Chile, que ocupan el segundo y

tercer lugar, respectivamente (BUZETA, 1997).

El cranberry americano pertenece a la familia Ericaceae y al género Vaccinium.

La planta del cranberry americano es leñosa y perenne, de 15 a 25 cm de

altura, con aspecto de enredadera y rastrera, que llega a cubrir el 100% del

suelo formando un grueso “colchón” de ramas y ramillas a ras de suelo. Los

frutos corresponden a una baya, de color rojo cuando madura, de un diámetro

de 1 a 2 cm. En su interior es hueca, factor que le imprime su facilidad para

flotar y así poder ser cosechada por flotación. Un índice de madurez muy

utilizado es el color de las semillas, las que se tornan café cuando el fruto está

maduro. Su duración después de cosechada puede ser de hasta un mes a

temperaturas frescas y hasta dos meses en el caso de fruta cosechada en seco

(BUZETA, 1997).

Los frutos cultivados de cranberry satisfacen los requerimientos alimenticios del

consumidor, por su bajo aporte en calorías, alto contenido de vitaminas,

minerales y buen porcentaje de fibras (BUZETA, 1997); su composición química

se presenta en el CUADRO 1. Por otro lado, los cranberries son una rica fuente

3

Page 13: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

4

CUADRO 1. Composición química del fruto de cranberry.

Por cada 100 g de fruta

Azúcares reductores (g)

Fibra dietética (g)

Proteínas (g)

Grasa total (g)

Humedad (g)

Cenizas (g)

4,2

1,6

0,2

0,4

88,0

1,6

Vitamina C (mg)

Vitamina A (UI)

Ácido nicotínico (µg)

Ácido pantoténico (µg)

Tiamina (μg)

10,5 – 7,5

40

33,0

25,0

13,5

Calcio (mg)

Fósforo (mg)

Potasio (mg)

13

8

53

FUENTE: BUZETA (1997).

de flavonoides y otros compuestos que pueden proporcionar importantes

beneficios para la salud, como la prevención de enfermedades al tracto urinario,

enfermedades cardiovasculares, úlceras estomacales e incluso cáncer1. Los

flavonoides del cranberry incluyen las antocianinas, flavonoles y las

proantocianidinas (PACs); siendo estas últimas de particular interés para los

investigadores, debido al efecto de anti-adhesión que poseen sobre ciertas

bacterias, mecanismo por el cual ayudan a mantener la salud del tracto urinario

y previenen la formación de úlceras2.

Entre los principales productos procesados a partir de cranberries se

encuentran el jugo concentrado y las salsas enlatadas, desarrollándose en los

1. Disponible en http://www.cranberryinstitute.org/news/Nutritional.pdf. Acceso: 05/09/04 2. Disponible en: http://www.cranberryinstitute.org/news/Heart.pdf. Acceso: 05/09/04

Page 14: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

5

últimos años en forma importante el consumo de cranberry deshidratado

(BUZETA, 1997).

2.1.1 Jugo de cranberries. El jugo concentrado de cranberries se obtiene de

un jugo despectinizado y filtrado elaborado a partir de cranberries maduros, que

luego es concentrado a bajas temperaturas y vacío1. La línea de flujo de

elaboración de concentrado de cranberries se presenta en la FIGURA 1.

Dentro de las características sensoriales de este jugo se encuentran su alta

acidez y astringencia, por lo cual se comercializa principalmente diluido y

endulzado, listo para el consumo (HARKINS, 2000).

Dados los componentes de este jugo y las características propias del cranberry,

es recomendado su consumo para la prevención de ciertas enfermedades,

no habiéndose reportado efectos adversos al ser consumido en forma

moderada (HARKINS, 2000).

2.1.2 Composición química del jugo de cranberries. En el CUADRO 2 se

presenta la composición química de un jugo concentrado de cranberries

(50 ºBrix) elaborado por la empresa norteamericana OceanSpray.

2.2 Antocianinas Las antocianinas son un grupo de pigmentos de color rojo, hidrosolubles,

ampliamente distribuidos en el reino vegetal (FENNEMA, 1993).

Químicamente las antocianinas son glicósidos de las antocianidinas (WONG,

1995), es decir, están constituidas por una molécula de antocianidina, que es la

aglicona, a la que se le une un azúcar por medio de un enlace β-glucosídico. La

estructura química básica de estas agliconas es el ión flavilio (BADUI, 1999),

también llamado 2-fenil-benzopirilio (WONG, 1995) que consta de dos grupos

aromáticos: un benzopirilio (A) y un anillo fenólico (B); el flavilio normalmente

funciona como un catión (BADUI, 1999).

1. Disponible en: http://www.oceansprayitg.com/products/specs/UPC%2094040,%2094041.pdf. Acceso: 10/09/04.

Page 15: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

6

RECEPCIÓN

PESAJE RECEPCIÓN

ALMACENAMIENTO (-12 ºC)

PESAJE INGRESO PROCESO

TRATAMIENTO TÉRMICO

PULPEADO

RECUPERACIÓN AROMAS AROMA

TRATAMIENTO ENZIMÁTICO

EXTRACCIÓN JUGO

MICROFILTRACIÓN

AGUA CONDENSADA EVAPORACIÓN

ALMACENAMIENTO (-18 ºC)

ENVASADO

ESTANDARIZADO

FIGURA 1. Línea de flujo jugo concentrado de cranberry. FUENTE: Agrícola Cran Chile.

Page 16: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

7

CUADRO 2. Análisis nutricional de jugo de cranberry concentrado (50 ºBrix).

Por cada 100 g de jugo concentrado

Energía (kcal) 198,0

Carbohidratos totales (g)

Azúcares (g)

Fibra dietética (g)

Proteínas (g)

Grasa total (g)

Humedad (g)

Cenizas (g)

49,3

22,02

<0,5

0,27

<0,25

49,24

1,21

Vitamina C (mg)

Niacina (mg)

Riboflavina (mg)

Tiamina (mg)

58,0

0,57

0,05

0,04

Calcio (mg)

Magnesio (mg)

Fósforo (mg)

Potasio (mg)

39,0

24,0

28,0

500,0

FUENTE: http://www.oceansprayitg.com/products/nutritionals/UPC%2094040

,%2094041.pdf

La estructura básica de las antocianinas se presenta en la FIGURA 2.

Las agliconas libres raramente existen en los alimentos, excepto posiblemente

como componentes traza de las reacciones de degradación (FENNEMA, 1993).

De todas las antocianidinas que actualmente se conocen (aproximadamente

20), las más importantes son la pelargonidina, la delfinidina, la cianidina, la

petunidina, la peonidina y la malvidina, nombres que derivan de la fuente

Page 17: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

8

FIGURA 2. Estructura básica de las antocianinas. FUENTE: KUSKOSKI et al. (2004).

vegetal de donde se aislaron por primera vez; la combinación de éstas con los

diferentes azúcares genera aproximadamente 150 antocianinas (BADUI, 1999).

Los hidratos de carbono que comúnmente se encuentran son la glucosa y la

ramnosa, seguidos de la galactosa, la xilosa y la arabinosa y, ocasionalmente,

la gentiobiosa, la rutinosa y la soforosa (BADUI, 1999).

El color de las antocianinas depende de varios factores intrínsecos, como son

los sustituyentes químicos que contenga y la posición de los mismos en el

grupo flavilio; por ejemplo, si se aumentan los hidroxilos del anillo fenólico se

intensifica el color azul, mientras que la introducción de metoxilos provoca la

formación de los rojos (BADUI, 1999).

2.2.1 Estabilidad de las antocianinas. Según FENNEMA (1993), el núcleo

flavilio de los pigmentos de antocianina es deficiente en electrones y, por tanto,

muy reactivo. Las reacciones ordinariamente comprenden la decoloración de

los pigmentos y son casi siempre no deseables en el procesado de frutas y

hortalizas.

Page 18: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

9

Los tratamientos térmicos influyen significativamente en la destrucción de las

antocianinas; es así como se ha visto que en las fresas se presenta una

relación logarítmica entre la pérdida de color y la temperatura (BADUI, 1999).

Las antocianinas cambian de color cuando forman complejos, quelatos o sales

con iones de sodio, potasio, calcio, magnesio, estaño, hierro o aluminio; por

esta razón, se recomienda que las latas que se empleen para los alimentos que

contengan antocianinas, sean recubiertas por una laca protectora que evite el

desprendimiento de los metales indeseables (BADUI, 1999).

Dada su alta hidrosolubilidad, estos pigmentos se pueden perder fácilmente por

lixiviación en el agua que se utiliza en los diferentes tratamientos; a medida que

aumenta la temperatura se acelera la decoloración de la fruta, ya que se

favorece tanto la extracción que incluso se puede llegar a obtener productos

prácticamente incoloros (BADUI, 1999).

Las antocianinas también cambian de color cuando forman complejos con otros

compuestos fenólicos (proantocianidinas, catequinas, taninos y flavonoides) o

con algunos polisacáridos, ya que se favorece un desplazamiento de la

absorción a longitudes de onda mayores (BADUI, 1999).

2.2.2 Efecto del pH sobre el color de las antocianinas. Las antocianinas son

muy sensibles a los cambios de pH (WONG, 1995).

Debido a una deficiencia del núcleo del flavilio, estos pigmentos funcionan como

verdaderos indicadores de pH; es decir, su color depende de las condiciones de

acidez o alcalinidad del sistema en que se encuentran: a pH ácido adquiere una

estructura estable del catión flavilio rojo, representado por la fórmula (AH+),

FIGURA 3; cuando se incrementa el pH, la distribución electrónica se modifica

hasta llegar a la forma quinoidea azul (A) o base anhidra; tanto la sal del flavilio

como la base anhidra pueden convertirse a la base de carbinol (B) incolora, que

predomina en el intervalo de pH de 4 a 5 (BADUI, 1999), que después se

Page 19: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

10

FIGURA 3. Reacciones de la transformación estructural de malvidina-3-glicósido en el intervalo de pH de 1 a 7.

FUENTE: WONG (1995).

tautomeriza a una calcona (C) (WONG, 1995).

El porcentaje presente en forma de base quinoidal (A) es muy pequeño en la

mezcla en equilibrio a cualquier pH. En soluciones muy ácidas (pH = 0,5) la

especie AH+, de color rojo, es la única que se encuentra en solución (WONG,

1995).

La pérdida de color a medida que el pH aumenta, puede ser monitoreada

midiendo el espectro de absorción del pigmento con un espectrofotómetro. En

la FIGURA 4 se observa una disminución en el peak a 510 nm a medida que el

pH aumenta, lo que indica que hay una pérdida del color rojo, existiendo un

equilibrio entre las dos formas de la antocianina (catión flavilio y base carbinol)1.

1. Disponible en: http://www.agsci.ubc.ca/courses/fnh/410/colour/3_22.htm. Acceso: 30/04/04

Page 20: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

11

FIGURA 4. Espectro de absorción de cianidina-3-ramnoglucósido a distintos valores de pH.

FUENTE: FRANCIS (1989).

2.2.3 Antocianinas como colorantes alimenticios. Las antocianinas se

encuentran dentro de los colorantes naturales más conocidos, por ser

responsables de los colores rojos y azules de gran cantidad de frutas y

vegetales, proporcionando un gran atractivo en jugos de frutas, mermeladas y

conservas (FRANCIS, 1975), por lo que constituyen una buena alternativa como

colorantes alimenticios (FRANCIS, 1989). Sin embargo, son poco utilizadas

como colorantes en alimentos debido a que son poco estables y difíciles de

purificar. Debido a su sensibilidad a los cambios de pH, el uso práctico de estos

pigmentos como colorantes naturales se limita a alimentos ácidos con pH

inferior a 3,5 (FRANCIS, 1975).

SCHEFFELDT y HRAZDINA (1978) realizaron un estudio para ver el efecto de

la co-pigmentación de antocianinas, es decir, la formación de complejos de

antocianinas con otros compuestos como por ejemplo los flavonoides,

presentes en forma natural en productos alimenticios. Una de las

consecuencias de la co-pigmentación es la intensificación del color, lo que

mejora las perspectivas de la utilización de antocianinas como colorantes

Page 21: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

12

naturales en alimentos.

Dentro de las posibles fuentes de antocianinas para su utilización como

colorantes, se encuentran las uvas, arándanos, cranberries y algunas plantas

como perilla (FRANCIS, 1989).

Las principales antocianinas presentes en cranberries son glucósidos de la

cianidina y peonidina (FRANCIS, 1975). Investigadores han estudiado la

toxicidad de las antocianinas y compuestos relacionados concluyendo que

estos compuestos son inocuos para la salud en las cantidades consumidas

normalmente (CHIRIBOGA y FRANCIS, 1973).

En relación a la extracción de estos pigmentos, RODRÍGUEZ y WOLSTRAD

(2001) señalan que el carácter polar de la molécula de antocianina permite su

solubilidad en variados solventes, tales como alcoholes, acetona y agua. La

elección del método de extracción debe maximizar la recuperación de

pigmentos con una mínima cantidad de adjuntos y una degradación o alteración

mínima del estado natural. Dentro de los métodos más utilizados están la

extracción con metanol y la extracción con acetona y cloroformo.

Se han realizado diversos estudios en los cuales se aplican las denominadas

tecnologías de membrana tanto para la purificación, como para la concentración

de antocianinas. CHUNG et al. (1986) estudiaron la extracción de antocianinas

a partir de hojas de perilla (Perilla ocymoides) con una solución al 10% de ácido

cítrico seguida por la aplicación de ultrafiltración, logrando una recuperación de

antocianinas de 60%. WOO et al. (1980) estudiaron la extracción de

antocianinas a partir de los desechos del proceso de elaboración de jugo de

cranberries, realizando una extracción con alcohol y ácido, una purificación

parcial por medio de ultrafiltración, y una concentración posterior con aplicación

de osmosis inversa; concluyendo que es posible la obtención de un colorante a

partir de los desechos de la industria de jugos de cranberries mediante la

aplicación de tecnologías de membrana.

Page 22: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

13

2.3 Tecnologías de filtración por membrana Una membrana es una película delgada que separa dos fases y actúa como

una barrera selectiva al transporte de materia (CUARTAS, 1999).

Las membranas de permeabilidad selectiva, que sólo dejan pasar a su través

ciertas moléculas, presentan un gran interés en la industria agroalimentaria

(CASP y ABRIL, 1999). Estas membranas pueden ser utilizadas en procesos de

concentración o fraccionamiento para producir dos corrientes líquidas de

diferente composición (JELEN, 1991).

El proceso de filtración por membrana consiste en bombear una solución

(alimentación) bajo presión sobre la superficie de una membrana de naturaleza

química y configuración física apropiadas. De la filtración por membrana se

obtienen dos corrientes; la corriente retenida, denominada “retenido” o

“concentrado” y la corriente que pasa a través de la membrana, denominada

“permeado” (CHERYAN, 1998).

Los rangos de separación se basan en las propiedades de las membranas

utilizadas, determinando qué partículas serán retenidas y cuáles pasarán a

través de la membrana (JELEN, 1991).

Los procesos de membrana presentan muchas ventajas sobre otras técnicas de

concentración. La ventaja principal es que la calidad del producto generalmente

se mantiene, puesto que se trabaja a bajas temperaturas y no hay interfase

vapor-líquido que cause pérdida de aromas. Además, las separaciones por

membrana generalmente presentan exigencias energéticas reducidas, bajos

costos de trabajo, pocas exigencias de espacio y una amplia flexibilidad de

operación. Sin embargo, las membranas tienden a ensuciarse a medida que el

producto se concentra y se incrementa la viscosidad, lo cual limita las

concentraciones que se pueden alcanzar. Generalmente, con los procesos de

membrana sólo pueden conseguirse concentraciones entre 40-45%, comparado

con el 80% que puede obtenerse con la evaporación (CASP y ABRIL, 1999).

Page 23: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

14

2.3.1 Proceso de separación por membranas. La filtración en flujo cruzado es

un proceso que se conduce bajo presión, una mezcla de líquido y sólidos se

pone en contacto con una membrana y se fuerza al líquido a pasar a través de

la misma. Los sólidos retenidos, son barridos a lo largo de la superficie de la

membrana por el flujo de la mezcla sólido-líquido. Una pequeña cantidad de

sólidos pasan también a través de la membrana. El flujo de líquido a través de

la membrana es conducido por el gradiente de presión hidráulica. Estas

diferencias de presión y de concentración hacen que el agua y moléculas

pequeñas pasen a través de la membrana (filtrado o permeado), mientras que

las moléculas grandes permanecen en el lado de la alimentación (retenido)

(CASP y ABRIL, 1999).

El comportamiento de un sistema de filtración por membrana se mide en

términos de su capacidad para producir grandes volúmenes de filtrado en un

corto período de tiempo y el grado de pureza del filtrado con respecto a la

concentración de soluto. El flujo de permeado y la retención de soluto son los

dos parámetros utilizados universalmente para este fin (CASP y ABRIL, 1999).

Según CASP y ABRIL (1999), el flujo de permeado (J) se define como el

volumen de permeado que fluye a través de una unidad de superficie de

membrana en un período de tiempo unitario1.

t· A V J

M

P= (2.1)

donde VP es el volumen de permeado en L, AM la superficie de membrana en

m2 y t el tiempo en h.

El parámetro de retención del soluto (R), ha sido definido por CASP y ABRIL

(1999) como la relación entre la cantidad de soluto que pasa a través de la

membrana dividido por la concentración en la alimentación inicial. La retención

de soluto se define como:

1 El flujo de permeado también se conoce como “Flux”

Page 24: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

15

A

PA

CCC R −

= (2.2)

Donde CA y CP son las concentraciones de soluto en la alimentación y

permeado, respectivamente.

El incremento del flujo de permeado a través de la membrana se consigue con

la aplicación de presiones mayores a través de la membrana, menor presión

osmótica en la alimentación y una membrana más permeable (CASP y ABRIL,

1999).

Las técnicas más utilizadas para filtración por membrana son descritas a

continuación, de acuerdo a lo señalado por CASP y ABRIL (1999).

• Osmosis inversa (OI): se usa para concentrar soluciones por eliminación de

agua. Utiliza las membranas más finas, que son capaces de separar las

moléculas más pequeñas de soluto. Se requieren altas presiones, entre 4 a

8 MPa para vencer la elevada presión osmótica de las soluciones de

pequeñas moléculas.

• Nanofiltración (NF): se utiliza para la concentración de componentes

orgánicos por eliminación de parte de iones monovalentes como el sodio y

cloruros (desmineralización parcial). Las membranas de nanofiltración

retienen moléculas de soluto de peso molecular entre 100 y 1000 dalton, se

clasifican por el peso molecular de corte, que se define como el peso

molecular de la molécula más pequeña de la cual el 90% es retenido por la

membrana, o por el porcentaje de cloruro sódico rechazado. El rango de

presiones a las que opera la nanofiltración es de 700-3500 kPa.

• Ultrafiltración (UF): se aplica para concentración de macromoléculas, tales

como proteínas y almidones. La ultrafiltración se extiende desde pesos

moleculares de corte de 1000 a 500000 dalton. Requiere presiones de

Page 25: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

16

operación entre 35 y 1000 kPa.

• Microfiltración (MF): se utiliza para eliminación de bacterias y separación de

macromoléculas; sus aplicaciones se refieren a la separación de pequeñas

partículas suspendidas en líquidos. El diámetro de poro de corte típicamente

oscila entre 0,1 y 10 μm. La microfiltración requiere las presiones de

operación más bajas de todas las técnicas citadas, normalmente entre 70 y

350 kPa.

En la FIGURA 5 se muestra el rango de aplicación de la filtración en la industria

alimentaria.

FIGURA 5. Espectro de aplicación de los procesos de separación por membranas.

FUENTE: CASP y ABRIL (1999).

2.3.2 Principales aplicaciones de las tecnologías de membrana. Operaciones tales como la Ultrafiltración (UF) y la Osmosis Inversa (OI) han

Page 26: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

17

atraído a la Industria de Alimentos como técnicas para concentrar alimentos

líquidos. Estos procesos son especialmente beneficiosos para productos

afectados adversamente por temperaturas elevadas. Además, los procesos de

UF y OI permiten ahorrar energía. Se ha estimado que el costo de electricidad

para remover agua por OI es de aproximadamente una décima parte que el

utilizado por técnicas de evaporación tradicionales. Las aplicaciones de UF y OI

para concentrar alimentos líquidos fueron iniciados y generalizados en la

Industria Láctea en los años ’60. En 1968 comenzaron los estudios para la

concentración de los sólidos de suero de queso cottage por OI como un método

alternativo de disposición del suero, mientras que en 1974 se reportaron

aplicaciones a escala industrial de UF y OI para concentrar sólidos de suero y

leche descremada en varios países europeos. Otros estudios de la utilización

de las técnicas de concentración UF y OI en diversos alimentos líquidos tales

como jarabe de arce, huevo, jugos de vegetales y frutas y pigmentos de plantas

tales como antocianinas, han sido reportados. Todos los investigadores

concluyeron que sus técnicas modificadas podrían ser aplicadas a la Industria

de Alimentos (LEE et al., 1982). Dentro de las principales limitaciones de los

procesos de separación por membrana se encuentran el hecho de que la

alimentación no debe tener un porcentaje de sólidos totales superior al 30% y al

ensuciamiento de las membranas o “fouling” que provoca una disminución

irreversible del flujo de permeado1.

2.3.3 Clasificación de las membranas. Las membranas se clasifican de

acuerdo a (CUARTAS, 1999):

- Mecanismo de separación: se clasifican en membranas porosas, utilizadas en

las operaciones de Microfiltración (MF), Ultrafiltración (UF), Nanofiltración (NF);

y membranas no porosas (estructura densa), utilizadas Osmosis Inversa (OI).

- Geometría: Pueden ser planas o cilíndricas.

- Naturaleza química: Pueden ser orgánicas (polímeros), como las de celulosa y

1. Disponible en: http://www.carc-crac.ca/common/CARC%20Survey-October%2022-2003.pdf Acceso: 20/11/04

Page 27: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

18

sus derivados (Ej. acetato de celulosa, poliamida) o inorgánicas (metales,

cerámicas, vidrio, etc.). Estas últimas poseen mayor estabilidad química,

mecánica y térmica en comparación con las orgánicas.

Las membranas pueden ser empacadas de muchas formas para proporcionar

diferentes opciones para la separación. De acuerdo a lo señalado por CASP y

ABRIL (1999), las configuraciones que habitualmente se utilizan son:

• Diseño de placas y bastidor: Las membranas se encuentran empaquetadas

entre placas soporte, que se disponen en paquetes.

• Diseño tubular a base de polímeros: La membrana cilíndrica y el sistema de

soporte se colocan en el interior de un tubo más largo.

• Diseño enrollado en espiral: Un elemento enrollado en espiral contiene una o

más membranas, cada una de las cuales tiene dos capas de membrana

separadas por un material poroso que conduce al permeado.

• Diseño de fibra hueca: Los módulos de fibra hueca son cartuchos que

contienen haces de 45 a más de 3000 elementos de fibra hueca. Las fibras

se orientan en paralelo. Todas tienen sus extremos empotrados en una

resina y están encerradas en el tubo colector de permeado.

2.3.4 Polarización de concentración. Una de las consecuencias de la

permeabilidad selectiva de las membranas, es que las moléculas que no pasan

a través de ellas comienzan a acumularse en el lado de la alimentación. El

soluto que es rechazado se acumula en una capa límite delgada en la superficie

de la membrana (CASP y ABRIL, 1999).

Las consecuencias de esta polarización de concentración son, entre otras, el

incremento de la diferencia de presión osmótica efectiva a través de la

membrana lo que influye negativamente sobre el flujo de solvente a través de la

membrana; por otro lado, aumenta el flujo de soluto, lo que lleva con frecuencia

Page 28: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

19

a la formación de incrustaciones en la superficie de la membrana. El principal

efecto de la concentración de polarización es la reducción del flujo de permeado

efectivo a través de la membrana, disminuyendo la eficiencia de la operación

(CASP y ABRIL, 1999).

Las técnicas para reducir esta polarización son, con frecuencia, críticas para el

éxito de la operación de separación por membrana. Como primera medida, el

líquido de alimentación debe estar lo más limpio posible de sólidos insolubles

(CASP y ABRIL, 1999).

El ensuciamiento de la membrana o “fouling” se refiere a un fenómeno que

sufre la membrana, irreversible durante el proceso, y que se caracteriza por una

declinación en los flujos de permeado (KUNSTMANN, 1994). Este fenómeno se

debe al depósito y acumulación de solutos de la alimentación sobre la superficie

de la membrana y/o dentro de los poros de la membrana. Esto trae como

consecuencia una disminución en el flujo de permeado promedio y alteraciones

en el rechazo de soluto, entre otros efectos negativos (CHERYAN, 1998).

2.3.5 Nanofiltración. La nanofiltración, también conocida como ultraosmosis

(JELEN, 1991), es un proceso de filtración por membranas operadas bajo

presión en la que solutos de bajo peso molecular (1000 daltons) son retenidos,

pero las sales pasan, total o parcialmente, a través de la membrana con el

filtrado1. El término nanofiltración está referido al tamaño de las moléculas que

retienen las membranas utilizadas en este proceso (1·10-9 m) (JELEN, 1991).

La nanofiltración es un proceso relativamente nuevo que utiliza membranas con

un tamaño de poros mayor que las membranas de OI, pero demasiado pequeño

para permitir el permeado de muchos compuestos orgánicos tales como

azúcares (CHERYAN, 1998). Esto provee un rango de selectividad entre las

membranas de Ultrafiltración y Osmosis Inversa, permitiendo simultáneamente

concentración y desalado de solutos orgánicos. En otras palabras la membrana

de NF retiene solutos que la UF dejaría pasar, y deja pasar sales que la OI

1. D’SOUZA, N. y WILEY, D. Whey ultrafiltration: Effect of operating parameters on flux and rejection. Disponible en:http://www.membrane.unsw.edu.au/imstec03/content/papers/PDMS/imstec036.pdf. Acceso: 02/06/2005

Page 29: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

20

retendría. En algunas aplicaciones, su selectividad entre moléculas de tamaños

similares es la clave del éxito del proceso de separación con membrana1.

En la FIGURA 6 se observa la selectividad que presentan las membranas de

nanofiltración en comparación con las de MF, UF y OI.

FIGURA 6. Selectividad de las membranas de nanofiltración versus otras tecnologías de filtración por membrana.

FUENTE: CHERYAN (1998).

El mecanismo de transporte de masa del proceso de NF aún está en discusión.

En experimentos modelo con soluciones simples, el paso del NaCl a través de

la membrana parece estar gobernado por la difusión a través del material de la

membrana (como se postula el permeado ideal en el proceso de OI) y por el

flujo convectivo a través del poro (como se acepta para los procesos de UF)

(JELEN, 1991).

Con respecto a las presiones de operación, se han reportado presiones tan

1. D’SOUZA, N. y WILEY, D. Whey ultrafiltration: Effect of operating parameters on flux and rejection. Disponible en:http://www.membrane.unsw.edu.au/imstec03/content/papers/PDMS/imstec036.pdf. Acceso: 02/06/2005

Page 30: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

21

bajas como 2,5 bar, dentro del rango de la UF tradicional. Sin embargo, en la

mayoría de los casos, se recomiendan presiones de operación intermedias

entre UF y OI (15 – 30 bar) (JELEN, 1991).

Dentro de las principales aplicaciones de la nanofiltración se encuentran la

desmineralización parcial del suero de quesería, desalinización de agua

(JELEN, 1991), pudiendo también utilizarse para reciclado de agua de lavados

en alimentos, desmineralización de jugo, decolorado de jugo, y recuperación de

azúcares (CHERYAN, 1998).

2.3.6 Cálculos para procesos de nanofiltración. El modelo a utilizar es el

descrito por CHERYAN (1998) para un sistema batch y sólo presupone que la

probabilidad de que una partícula atraviese la membrana es constante durante

todo el proceso.

Se define como “factor de concentración” (Fc) a:

r

0c V

VF = (2.4)

Donde: V0 = Volumen inicial de alimentación; Vr = Volumen del concentrado

Asumiendo que el tamaño del error de medición potencial es proporcional al

tamaño de la observación y la probabilidad es constante a lo largo de todo el

proceso, se llega a la siguiente expresión:

CR = C0 (Fc)R (2.5)

donde C0 es la concentración inicial de un soluto en el volumen inicial V0 y CR

es la concentración del mismo soluto a cualquier otro volumen VR.

Esta ecuación muestra que la concentración de un soluto en cualquier instante

del proceso está en función de la reducción de volumen del coeficiente de

retención R (ecuación (2.2)). En otras palabras, si la probabilidad de que un

Page 31: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

22

soluto pase a través de la membrana es 1, esto implica que el soluto no será

retenido por la membrana y su concentración a ambos lados de la membrana

será la misma y el coeficiente de retención será cero (ecuación (2.2)). Por otro

lado, si la probabilidad es cero, el soluto no pasará a través de la membrana y

el coeficiente de retención será igual a 1. Por otro lado la variación del flujo de

permeado en función del tiempo se define:

b1 t·JJ −= (2.6)

donde t = tiempo (min); J = Flujo de permeado a tiempo t; J1 = Flujo de

permeado a t = 1 min; b = índice de ensuciamiento

Otro parámetro importante es la recuperación (Y) de un componente, que es la

fracción del componente en la alimentación original que es recuperado en el

concentrado final:

00

RR

VCVCY = (2.7)

donde: CR concentración de antocianinas en el concentrado, VR volumen de

concentrado, C0 concentración en la alimentación y V0 volumen de alimentación

2.3.7 Factores que afectan al flujo de permeado. Los factores que influyen

sobre la velocidad a la cual pasa un material a través de la membrana, según

CASP y ABRIL (1999), son los siguientes: presión transmembrana, tipo de

material de alimentación, temperatura, concentración de la alimentación y

velocidad de flujo de alimentación.

El flujo de permeado aumenta con la presión transmembrana, pero la relación

entre ellos sólo es lineal cuando la alimentación es agua pura. Si la

alimentación es otro fluido, el flujo pasa a ser independiente de la presión

cuando ésta aumenta sobre el nivel en que la capa de polarización de

concentración alcanza una concentración límite (DOBÓN y BAGGER-

JORGENSEN, 2000).

Page 32: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

23

Temperaturas altas generan un flujo de permeado mayor debido a la

disminución de la viscosidad del fluido de alimentación. Sin embargo, es

esencial no sobrepasar ciertos límites para evitar pérdida de nutrientes y

desarrollo de microorganismos (DOBÓN y BAGGER-JORGENSEN, 2000).

A medida que la concentración de solutos en la alimentación aumenta, la

viscosidad y densidad de la solución aumentan y la difusividad de un soluto

dado disminuye. Estos cambios tienden a disminuir el flujo y favorecen el

ensuciamiento de la membrana1.

Una velocidad de flujo de alimentación alta tiende a remover el material

depositado sobre la superficie de la membrana y, consecuentemente, reduce la

resistencia hidráulica a través de la membrana y, de esta manera, el flujo de

permeado será mayor (DOBÓN y BAGGER-JORGENSEN, 2000).

D’SOUZA y WILEY1 estudiaron el efecto de los parámetros de operación

temperatura, presión transmembrana, velocidad de flujo de alimentación,

concentración de la alimentación y pH sobre el flujo de permeado y los

coeficientes de retención en la ultrafiltración de suero, mediante un diseño

experimental factorial. Los ensayos mostraron que los 5 parámetros tuvieron un

efecto significativo sobre el flujo de permeado y la retención de sólidos totales.

Los experimentos mostraron un aumento en el flujo al aumentar la presión

transmembrana, la temperatura, el pH y la velocidad de flujo de alimentación. Al

aumentar la concentración de alimentación se produjo una disminución del flujo

de permeado.

De Brujin et al., citado por WARCZOK et al. (2004), concluyeron que las

condiciones óptimas para minimizar el ensuciamiento de la membrana durante

la ultrafiltración de jugo de manzana incluyen una velocidad de flujo de

alimentación alta y una baja presión transmembrana; asimismo una velocidad

de flujo baja y una presión transmembrana alta aumentan el flujo de permeado.

1. D’SOUZA, N. y WILEY, D. Whey ultrafiltration: Effect of operating parameters on flux and rejection. Disponible en:http://www.membrane.unsw.edu.au/imstec03/content/papers/PDMS/imstec036.pdf Acceso: 02/06/2005

Page 33: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

24

2.4 Concentración de pigmentos por tecnologías de membrana en jugos de frutas

GIL-MARTINEZ (1998) estudió la aplicación de procesos de UF, NF y OI a jugo

de granada a diferentes presiones de operación y velocidades de flujo para

obtener un concentrado de alta calidad que contenga colorantes que puedan

ser separados de la mayoría de los sólidos solubles y puedan ser usados como

colorante natural. Se utilizó una unidad de filtración a escala de laboratorio con

un área de membrana efectiva de 0,0155 m2 y una presión máxima de 6900

kPa. El jugo fue filtrado a 20 ºC y su pH previamente ajustado a 3,1 con una

solución de ácido cítrico al 1% para aumentar la formación de complejos

copigmentados que sean más fácilmente retenidos por la membrana de UF. La

membrana de osmosis inversa MX07 retuvo cerca del 100% de las antocianinas

y el 85% de los sólidos suspendidos a 2758 kPa, pero con un flujo de 0,18

L/min·m2. Se encontró que la tecnología de UF, seguida por la de osmosis

inversa, es un buen método para obtener un concentrado de antocianinas con

un 75% de retención respecto al contenido inicial.

WARCZOK et al. (2004) estudiaron la concentración de jugos de pera y

manzana por nanofiltración en un sistema batch a bajas presiones, utilizando

diferentes membranas con el objetivo de determinar cuál de ellas permite

alcanzar el mayor grado de concentración de los jugos; trabajaron con

presiones entre 8 y 12 bar y temperaturas entre 25 – 35 ºC.

Por otro lado, FERRARINI et al. (2001), compararon membranas de NF y OI

utilizando jugo de uvas como alimentación, evaluando el efecto de la

temperatura de trabajo y la presión sobre una membrana de NF. La

permeabilidad de la membrana de NF utilizada se duplicó al aumentar la

presión de 32 a 45 bar. Se encontró una relación lineal entre el flujo de

permeado y la presión transmembrana. Por otro lado, el flujo de permeado

aumentó en aproximadamente un 3% por cada grado de aumento en la

Page 34: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

25

temperatura.

REKTOR et al. (2004) aplicaron MF y OI a mosto de uva para preservar y

concentrar el mosto. Uno de los parámetros considerados fue el grado de

retención de antocianinas, trabajando con OI a 50 bar de presión, 35 ºC y 300

L/h. Se encontró un contenido de antocianinas muy bajo en el permeado, lo que

prueba una excelente retención de la membrana de OI utilizada, que fue de

99,5%.

Con respecto a la aplicación industrial de estos procesos, la empresa MMS

Ibérica, especializada en el diseño e implementación de sistemas de

membrana, ha desarrollado un sistema para la recuperación de colorantes

basado en la filtración por membranas que permite el enriquecimiento selectivo

de las moléculas de color (antocianinas, taninos). El sistema genera dos

corrientes: el concentrado se utiliza como colorante natural de alto valor y el

jugo de fruta decolorado se puede utilizar como base para la producción de

jugos energéticos multi-fruta, debido a que moléculas más pequeñas como

azúcares, ácidos de la fruta, vitaminas, minerales y sales se obtienen como

corriente filtrada1.

1. Disponible en: http://www.mmsiberica.com/alimentaria.htm. Acceso: 05/09/04

Page 35: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

3. MATERIAL Y MÉTODO

3.1 Ubicación del ensayo Las experiencias prácticas fueron realizadas en dependencias del Instituto de

Ciencia y Tecnología de Alimentos (ICYTAL), Universidad Austral de Chile.

3.2 Material 3.2.1 Materia prima. Se utilizó jugo concentrado de cranberry (Vaccinium

macrocarpon Ait.), elaborado y proporcionado por la empresa Agrícola Cran

Chile, X Región. Las características de la materia prima se presentan

en el CUADRO 3.

CUADRO 3. Características del jugo concentrado de cranberry utilizado como materia prima.

Característica Valor

% Sólidos solubles (ºBrix)

Intensidad de color (A520 · FD)

Acidez (% ácido cítrico)

pH

49,8

11,06

11,18

2,53

FUENTE: Agrícola Cran Chile

NOTA:

FD: Factor de dilución de la muestra

A520: Absorbancia a 520 nm

Este jugo fue diluido para poder utilizarlo como alimentación, siendo preparado

en cada ensayo de acuerdo a las condiciones definidas posteriormente.

26

Page 36: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

27

3.2.2 Equipos. Para los ensayos se utilizaron los siguientes equipos:

• Equipo de membranas planas DDS Lab (module 20-0, 36 Lab), montado

con 20 membranas planas HC-50P DDS Filtration para nanofiltración

• Potenciómetro, Radiometer Copenhagen

• Refractómetro Abbé

• Espectrofotómetro, Spectronic

• Balanza analítica, precisión 0,0001g

• Utensilios de laboratorio, tales como: picnómetro, material volumétrico,

cubetas, termómetro, cronómetro, cucharón y frascos para toma de

muestras.

• Reactivos como: NaOH 0,1N; HCl 1N y KCl 0,2N

3.3 Metodología En todo proceso de separación por membrana se busca optimizar tanto el flujo

de permeado como el grado de separación de las especies moleculares. Para

ello se estudió el efecto de dos factores sobre el flujo de permeado y, por otro

lado, la capacidad de separación de la membrana, con respecto a las

antocianinas presentes en el jugo de alimentación.

3.3.1 Diseño experimental. Para evaluar la influencia de las variables

independientes sobre el flujo de permeado (variable respuesta), se aplicó un

diseño experimental factorial 32 con 3 repeticiones, considerando 2 factores, la

presión aplicada y el flujo volumétrico de alimentación, cada uno a 3 niveles.

Los factores y sus niveles se presentan a continuación.

Factor Presión aplicada: a tres niveles; 20 bar (2026 kPa), 30 bar (3039 kPa) y

40 bar (4052 kPa)

Factor Flujo volumétrico de alimentación: a tres niveles; 1 L/min (0,02 L/s),

6 L/min (0,1 L/s) y 12 L/min (0,2 L/s)

Page 37: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

28

La matriz de ensayos se obtuvo mediante el software estadístico

Statgraphics Plus 5.1 y se presenta en el CUADRO 4.

CUADRO 4. Matriz de ensayos para un diseño experimental 32 con 3 repeticiones.

ENSAYO Presión transmembrana

(bar)

Flujo volumétrico alimentación

(L/min)

Repeticiones

1 20 1 3

2 20 6 3

3 20 12 3

4 30 1 3

5 30 6 3

6 30 12 3

7 40 1 3

8 40 6 3

9 40 12 3

3.3.2 Preparación del jugo a filtrar. Para poder realizar el proceso de

nanofiltración el jugo concentrado fue diluido con agua deionizada hasta

alcanzar una concentración de sólidos solubles de aproximadamente 12,5 ºBrix

y un volumen de 10 litros (volumen alimentación). Posteriormente se llevó a la

temperatura de trabajo (20 ºC).

3.3.3 Análisis del jugo a filtrar (alimentación). El jugo de alimentación fue

sometido a diversos análisis a modo de caracterizarlo y determinar su contenido

de antocianinas. Estos análisis son descritos a continuación.

Page 38: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

29

• pH. El pH se debe medir directamente en la muestra; para ello se utilizó un

potenciómetro previamente calibrado a 25 ºC.

• Sólidos solubles. Para determinar el contenido de sólidos solubles se utilizó

un refractómetro tipo Abbé, obteniendo el porcentaje de sólidos solubles,

expresado en ºBrix.

• Acidez titulable. Para medir la acidez titulable de las muestras se utilizó el

Método del Electrodo de Vidrio, Método Oficial 942.15 de la Association of

Official Analytical Chemists AOAC, “Acidez (Titulable) de Productos de Fruta”

(Association of Official Analytical Chemists, 2000).

• Densidad. Para este análisis se utilizó un picnómetro (de volumen conocido);

la masa se determinó con una balanza analítica.

• Contenido total de antocianinas. Para determinar el contenido total de

antocianinas se utilizó un método basado en el diferencial de pH, descrito por

WOLSTRAD (1976). Ver ANEXO 1.

Principio del método: A pH 1,0 las antocianinas existen en la forma altamente

coloreada y a pH 4,5 están predominantemente en forma incolora. Una alícuota

de una solución acuosa de antocianinas es ajustada a pH 1,0 y otra a pH 4,5.

La diferencia en la absorbancia a la longitud de onda de máxima absorción será

proporcional al contenido de antocianinas.

3.3.4 Nanofiltración a nivel de laboratorio. La alimentación se mantuvo

durante todo el proceso a una temperatura de trabajo constante (20 ºC), por

medio de un baño de agua.

Se trabajó con un equipo de membranas planas DDS Lab (module 20-0, 36

Lab), montado con 20 membranas planas HC-50P DDS Filtration para

nanofiltración, con recirculación del concentrado (FIGURA 7). La superficie

efectiva de membranas fue de 0,36 m2.

Page 39: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

30

FIGURA 7. Equipo de membranas planas DDS Lab (module 20-0, 36 Lab). FUENTE: LEE et al. (1982).

Las características de las membranas y los límites de operación recomendados

por el fabricante se muestran en el CUADRO 5.

Antes de comenzar el proceso de nanofiltración se humectaron las membranas

con agua deionizada durante 15 minutos a una temperatura de 30 ºC y 8 bar de

presión.

CUADRO 5. Características de las membranas para nanofiltración HC-50P DDS Filtration y límites de operación recomendados por el fabricante.

Características Permeabilidad (%NaCl): 40 – 60 Flujo agua (L / (m2 · h)): >100

Límites de operación recomendados

pH: 2 – 10 Temperatura (ºC): 0 – 60 Presión (bar): 0 – 60

Page 40: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

31

Previa regulación de la velocidad de la bomba, se hace pasar el líquido de

alimentación, aumentando gradualmente la presión aplicada, hasta alcanzar el

valor deseado.

Se tomaron muestras cada 20 minutos, tanto al permeado como al concentrado,

para su posterior análisis y caracterización. El volumen de permeado fue

registrado constantemente a lo largo del ensayo para el posterior cálculo de los

parámetros del proceso.

El proceso se detiene cuando el volumen de alimentación se reduce a un nivel

que permite alcanzar un factor de concentración cercano a 3,0 (ver ecuación

(2.4)).

Después de cada tratamiento de nanofiltración, las membranas fueron

sometidas a un ciclo de limpieza, el que se detalla en el CUADRO 6.

Es muy importante realizar esta limpieza luego de cada ensayo, para alcanzar

el mismo flujo de permeado en cada experiencia, el cual se mide con agua

deionizada a una temperatura, presión de operación y velocidad de flujo de

alimentación constantes. Luego de cada ciclo de lavado las membranas fueron

sometidas a una prueba de permeabilidad con agua deionizada a 20 ºC, 20 bar

de presión y flujo volumétrico de alimentación 1 L/min.

3.3.5 Caracterización de muestras de permeado y concentrado. Tanto para

las muestras de permeado como de concentrado se aplicaron los análisis

detallados en 3.3.3, con el propósito de caracterizar estas muestras con

respecto a pH, densidad, porcentaje de sólidos solubles, acidez titulable y

contenido de antocianinas. Este último análisis permite además calcular el

coeficiente de retención de antocianinas y así determinar la capacidad de la

membrana para retener estos pigmentos.

3.3.6 Evaluación del proceso. Para evaluar el proceso se consideró la

Page 41: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

32

CUADRO 6. Procedimiento de lavado de membranas de nanofiltración.

Etapa Solución de limpieza

Temperatura(ºC)

Tiempo (min)

Presión de entrada

(bar)

1. Primer Enjuague

Agua deionizada

40 15 4

2. Primer Lavado cáustico

Solución A 75 60 4

3. Segundo Enjuague

Agua deionizada

40 10 4

4. Lavado ácido

Solución B 55 20 4

5. Tercer enjuague

Agua deionizada

55 10 4

6. Segundo Lavado cáustico

Solución C

75 30 4

7. Enjuague final

Agua deionizada

30 10 4

Solución A = 0,5% NaOH; 0,5% EDTA; pH 12,6. Solución B = 0,3% HNO3; pH 2,3. Solución C = NaOH 1,0%; pH 12,9.

capacidad de separación de la membrana y los factores que afectan al flujo de

permeado.

3.3.6.1 Variables que afectan al flujo de permeado. Las variables estudiadas

son la presión aplicada y el flujo volumétrico de alimentación. El efecto de estos

factores sobre el flujo de permeado, se determinó estadísticamente utilizando el

software Statgraphics Plus 5.1 para determinar si aportan diferencias

significativas a la variable respuesta (flujo de permeado), con el diseño

experimental detallado en 3.3.1.

Page 42: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

33

3.3.6.2 Capacidad de separación de la membrana. Para estudiar esta

característica se calcularon los parámetros de coeficiente de retención y

porcentaje de recuperación de soluto para las antocianinas totales. Para ello se

utilizaron las ecuaciones (2.5) y (2.7), respectivamente. Para calcular el

coeficiente de retención se hizo un gráfico logarítmico de CR / C0 versus Fc con

los datos de contenido de antocianinas medido a las muestras y el factor de

concentración correspondiente; la pendiente de la recta resultante es el

coeficiente de retención.

Page 43: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

4. PRESENTACIÓN Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS En general, el desarrollo de los experimentos de nanofiltración no presentó

mayores dificultades, excepto por la excesiva formación de espuma que se

produjo en las experiencias realizadas a 40 bar y 12 L/min (ensayo 9), lo cual

dificultaba la toma de muestras. Además, en estas condiciones de operación se

producía un aumento en la vibración de la manguera de conexión de la bomba

al equipo.

Por otro lado, si no se regula la temperatura de trabajo, ésta se eleva

rápidamente, sobretodo a flujos volumétricos de alimentación altos, lo cual se

comprobó en la práctica, teniendo como resultado un aumento en el flujo de

permeado, debido a la disminución de la viscosidad. En consecuencia, es

esencial mantener la temperatura de la alimentación constante.

En el CUADRO 7 se presenta un resumen de los ensayos realizados, en cuanto

a duración y flujos de permeado obtenidos. La duración del ensayo se refiere al

tiempo requerido para alcanzar un factor de concentración de 3. El flujo máximo

de permeado fue de 41,31 L/h·m2, el cual se logró al combinar una presión de

40 bar con un flujo volumétrico de alimentación de 12 L/min. Flujos de

permeado superiores a 30 L/h·m2 fueron alcanzados en los ensayos 5, 6, 8 y 9,

en los cuales se aplicaron presiones de 30 y 40 bar y flujos de alimentación de

6 y 12 L/min.

Como se observa en el CUADRO 7, al aumentar la presión transmembrana y el

flujo volumétrico de alimentación se produce un aumento en el flujo de

permeado, lo que coincide con los resultados obtenidos por D’SOUZA y

WILEY1. En consecuencia, los ensayos realizados a 20 bar requieren mayores

1. D’SOUZA, N. y WILEY, D. Whey ultrafiltration: Effect of operating parameters on flux and rejection. Disponible en:http://www.membrane.unsw.edu.au/imstec03/content/papers/PDMS/imstec036.pdf Acceso: 02/06/2005

34

Page 44: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

35

CUADRO 7. Resumen de ensayos realizados.

Condiciones de operación

Ensayo

Presión transmembrana

(bar)

Flujo volumétrico alimentación

(L/min)

Duración ensayo (min)

Flujo de permeado máximo (Fc=1)

(L/h·m2)

Flujo de permeado

mínimo (Fc=3)

(L/h·m2)

1 20 1 260 20,48 3,14

2 20 6 240 24,44 3,24

3 20 12 220 26,96 3,48

4 30 1 200 24,97 3,95

5 30 6 180 31,62 4,13

6 30 12 160 36,30 4,64

7 40 1 180 25,25 4,52

8 40 6 140 37,78 5,83

9 40 12 120 41,31 7,11

tiempos de proceso para alcanzar el factor de concentración deseado si se

comparan con aquellos realizados a 30 y 40 bar de presión transmembrana.

Asimismo, un flujo volumétrico de alimentación más bajo significó tiempos de

proceso mayores, lo que en la práctica y al considerar la aplicación industrial de

esta tecnología, se traduce en una menor productividad.

4.1 Caracterización de muestras de alimentación, permeado y concentrado Los resultados de los análisis de pH, densidad, porcentaje de sólidos solubles,

acidez titulable y contenido de antocianinas realizados a las muestras de jugo

de alimentación, permeado y concentrado obtenidas en cada ensayo se

detallan en el CUADRO 8. Los valores presentados corresponden al promedio

de 3 repeticiones más menos la desviación estándar.

Page 45: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

A = alimentación; P = permeado; C = concentrado

36

CUADRO 8. Caracterización de muestras de alimentación, permeado y concentrado.

Presión = 20 bar Presión = 30 bar Presión = 40 bar

ANÁLISIS Fl

ujo

alim

. (L

/min

) A P C A P C A P C

1 2,7±0,0 2,9±0,1 2,6±0,0 2,6±0,1 2,8±0,0 2,6±0,0 2,5±0,0 2,9±0,1 2,6±0,0

6 2,6±0,1 2,8±0,1 2,6±0,0 2,7±0,1 2,8±0,1 2,5±0,0 2,7±0,1 2,8±0,0 2,6±0,0

pH

12 2,6±0,1 2,8±0,0 2,6±0,0 2,7±0,1 2,9±0,0 2,6±0,1 2,6±0,1 2,8±0,1 2,5±0,0

1 12,5±0,0 7,0±0,5 29,5±1,0 12,5±0,0 7,5±0,0 27,5±0,0 12,5±0,0 7,0±0,9 29,0±1,3

6 12,5±0,0 7,5±0,0 27,5±0,9 12,5±0,0 7,0±0,5 30,0±0,9 12,5±0,0 7,0±0,0 29,0±0,5 Sólidos solubles (ºBrix)

12 12,5±0,0 6,5±0,5 28,0±1,0 12,5±0,0 7,5±0,0 29,5±0,5 12,5±0,0 6,5±0,9 29,0±1,3

1 2,8±0,8 1,8±0,2 4,8±0,3 2,8±0,4 1,7±0,1 4,7±0,3 3,4±0,5 1,8±0,1 5,1±0,3

6 2,9±0,6 1,6±0,1 5,2±0,1 3,0±0,8 1,8±0,1 5,0±0,4 2,8±0,6 1,5±0,1 5,0±0,2 Acidez titulable %

12 2,4±0,5 1,5±0,0 4,9±0,2 2,8±0,5 1,9±0,1 4,8±0,3 2,6±0,5 1,7±0,1 4,9±0,1

1 1,02±0,03 1,04±0,01 1,06±0,02 1,01±0,04 1,04±0,02 1,07±0,02 0,97±0,01 1,03±0,01 1,05±0,02

6 0,99±0,01 1,03±0,01 1,04±0,02 1,03±0,03 1,04±0,02 1,06±0,02 1,01±0,03 1,03±0,01 1,05±0,01Densidad (g/mL)

12 1,04±0,01 1,05±0,01 1,07±0,01 0,98±0,01 1,04±0,01 1,06±0,01 1,09±0,01 1,08±0,02 1,11±0,03

1 82±4 5±1 237±14 97±2 1±0 288±15 93±3 3±1 274±14

6 85±2 1±0 254±6 97±1 4±1 284±23 88±2 2±0 259±16

Contenido antocianinas totales (mg/L) 12 90±3 2±1 267±14 92±4 4±0 271±24 83±5 8±1 233±16

Page 46: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

37

Iniciando el proceso de nanofiltración con un jugo cuyo contenido de

antocianinas varió entre 80 y 100 mg/L, sólidos solubles de 12,5 ºBrix, pH entre

2,5 y 2,7, acidez de 2,4 a 3,4% y densidad de 0,97 a 1,09 g/mL se obtuvo:

• Un concentrado con 230 a 290 mg/L de antocianinas totales, pH levemente

inferior, sólidos solubles entre 27 y 29 ºBrix, acidez titulable de

aproximadamente 5% y densidad entre 1,04 y 1,11 g/mL.

• Un permeado con 1 a 8 mg/L de antocianinas totales; pH entre 2,8 y 2,9,

sólidos solubles entre 6,5 y 7,5 ºBrix, acidez titulable entre 1,5 y 1,9% y

densidad de 1,03 y 1,02 g/mL.

En las FIGURAS 8, 9 y 10 se pueden apreciar claramente las diferencias entre

las muestras para 3 de los análisis realizados. Estas diferencias se acentúan en

el análisis de contenido de antocianinas totales, observándose que la

concentración de estos pigmentos es mínima en el permeado, lo que indica que

la membrana retiene gran parte de estos pigmentos.

0

1

2

3

4

5

6

1 2 3 4 5 6 7 8 9

ENSAYO

Aci

dez

titul

able

% á

cido

cítr

ico

alimentaciónpermeadoconcentrado

FIGURA 8. Acidez titulable de las muestras de alimentación, permeado y concentrado para cada ensayo.

Page 47: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

38

0

5

10

15

20

25

30

35

1 2 3 4 5 6 7 8 9

ENSAYO

Porc

enta

je s

ólid

os s

olub

les

ºBrix

alimentaciónpermeadoconcentrado

FIGURA 9. Sólidos solubles de las muestras de alimentación, permeado y concentrado para cada ensayo.

0

50

100

150

200

250

300

350

1 2 3 4 5 6 7 8 9

ENSAYO

Con

teni

do a

ntoc

iani

nas

tota

les

(mg/

L) alimentaciónpermeadoconcentrado

FIGURA 10. Contenido de antocianinas de las muestras de alimentación, permeado y concentrado para cada ensayo.

Page 48: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

39

El permeado obtenido posee un muy bajo contenido de antocianinas, pero sus

características de acidez y contenido de azúcares difieren de las del jugo

original, por lo que no podría considerarse un “jugo decolorado”, puesto que el

concentrado retiene parte importante de los componentes del jugo original.

Esto se comprueba mediante el análisis estadístico de los resultados, el cual

arroja que existen diferencias estadísticamente significativas entre las medias

de las muestras de alimentación, permeado y concentrado con un 95% de

confianza obteniéndose un valor p inferior a 0,05. Esto es válido para todos los

análisis; sin embargo, en la determinación de densidad para las muestras de

permeado y concentrado, no se observaron diferencias significativas, pero sí

entre ellas y las muestras de alimentación.

4.2 Efecto del flujo volumétrico de alimentación y la presión transmembrana sobre el flujo de permeado

A lo largo del proceso se determinó el volumen de permeado acumulado en

intervalos de tiempo definidos, con lo cual se obtuvo el flujo de permeado y los

factores de concentración a distintos tiempos de iniciado el proceso. Los

resultados de factor de concentración y flujo de permeado para cada ensayo se

presentan en los ANEXOS 2 y 3, respectivamente.

En la FIGURA 11, se puede apreciar la influencia del flujo volumétrico de

alimentación sobre el flujo de permeado (a presión constante), observándose un

incremento en este último al aumentar el flujo volumétrico, principalmente en los

flujos de permeado iniciales. Esto es válido para las tres presiones estudiadas,

sin embargo, este aumento en los flujos de permeado se observa más

claramente a 40 bar de presión transmembrana, como lo muestra la gráfica.

Esto puede explicarse según lo señalado por DOBÓN y BAGGER-

JORGENSEN (2000), con respecto a que una velocidad de flujo de

alimentación alta tiende a remover el material depositado sobre la superficie de

Page 49: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

40

20 bar

0,05,0

10,015,020,025,030,035,040,045,0

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Fc

Flux

(L/h

·m2 ) 1 L/min

6 L/min

12 L/min

30 bar

0,05,0

10,015,020,025,030,035,040,045,0

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Fc

Flux

(L/h

·m2 ) 1 L/min

6 L/min

12 L/min

40 bar

0,05,0

10,015,020,025,030,035,040,045,0

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Fc

Flux

(L/h

·m2 )

1 L/min

6 L/min

12 L/min

FIGURA 11. Efecto del flujo volumétrico de alimentación sobre los flujos instantáneos de permeado a diferentes Fc.

Page 50: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

41

la membrana, aumentando el flujo de permeado.

Por otro lado, se puede observar que el flujo de permeado desciende

rápidamente en la primera etapa del proceso de nanofiltración; luego este

descenso se hace más lento, hasta alcanzar un Fc cercano a 2, luego de lo cual

tiende a estabilizarse y alcanzar un valor constante en el tiempo. La curva de

descenso de flujo de permeado en función de tiempo se ajusta al modelo

descrito por CHERYAN (1998).

El efecto de la presión transmembrana (a flujo volumétrico constante) sobre el

flujo de permeado se observa en la FIGURA 12. En este caso también se

produce un aumento en el flujo de permeado al aumentar la presión, lo que

puede observarse claramente en las tres gráficas, siendo este incremento

levemente inferior a 1 L/min.

Como puede apreciarse en la FIGURA 12, en todos los ensayos realizados se

presenta un descenso significativo en el flujo de permeado a medida que

aumenta el Fc, y tiende a estabilizarse a partir de un factor de concentración

igual a 2. El descenso en el flujo puede deberse a: aumento de la presión

osmótica en el concentrado a medida que avanza el proceso; formación de una

capa de polarización en la superficie de la membrana que incrementa la

resistencia al flujo y al ensuciamiento progresivo e irreversible de la membrana.

El resumen estadístico del efecto de los factores presión transmembrana y flujo

volumétrico de alimentación sobre el flujo de permeado, se presenta en el

ANEXO 4.

El análisis de varianza ANDEVA muestra que ambos factores aportan

diferencias estadísticamente significativas al flujo de permeado, con un nivel de

confianza de 95%; lo que concuerda con lo obtenido por D’SOUZA y WILEY1 al

estudiar el efecto de los parámetros de operación en la ultrafiltración de suero.

Esto indica que el efecto de estos factores puede suponerse similar para

1. D’SOUZA, N. y WILEY, D. Whey ultrafiltration: Effect of operating parameters on flux and rejection. Disponible en:http://www.membrane.unsw.edu.au/imstec03/content/papers/PDMS/imstec036.pdf Acceso: 02/06/2005

Page 51: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

42

1 L/min

0,05,0

10,015,020,025,030,035,040,045,0

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Fc

Flux

(L/h

·m2 )

20 bar30 bar40 bar

6 L/min

0,05,0

10,015,020,025,030,035,040,045,0

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Fc

Flux

(L/h

·m2 ) 20 bar

30 bar40 bar

12 L/min

0,05,0

10,015,020,025,030,035,040,045,0

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0Fc

Flux

(L/h

·m2 )

20 bar

30 bar

40 bar

FIGURA 12. Efecto de la presión transmembrana sobre los flujos instantáneos de permeado a diferentes Fc.

Page 52: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

43

cualquier tecnología de membrana, ya sea MF, UF, NF u OI. Por otro lado el

test de contrastes múltiples LSD indica que existen diferencias estadísticamente

significativas entre las medias de los diferentes niveles utilizados en el diseño,

tanto para la presión transmembrana como para el flujo volumétrico de

alimentación.

Analizando los resultados obtenidos, se observa que las condiciones más

adecuadas para lograr flujos de permeado altos y, por ende, menores tiempos

de proceso están entre 30 y 40 bar de presión transmembrana y flujos

volumétricos entre 6 y 12 L/min. Sin embargo, al trabajar con 40 bar de presión,

y en las condiciones de operación descritas para este estudio, no sería

recomendable utilizar flujos de 12 L/min, por los inconvenientes antes

mencionados.

4.3 Capacidad de retención de antocianinas de la membrana utilizada

Los coeficientes de retención (R) y la recuperación (Y) de antocianinas en el

concentrado calculados para cada ensayo se presentan en el CUADRO 9. A

continuación se presenta un ejemplo de cálculo para la obtención de estos

coeficientes. El ejemplo corresponde al ensayo 5 (30 bar y 6 L/min).

Mediante el análisis descrito en ANEXO 1, se determinó el contenido de

antocianinas totales de las muestras de concentrado tomadas cada veinte

minutos, durante el proceso de nanofiltración (CUADRO 10). Posteriormente se

calculó la relación entre el contenido de antocianinas de la muestra de

concentrado (Cr) y el contenido de antocianinas de la alimentación (Co).

Para calcular el coeficiente de retención se linealizó la ecuación (2.5),

obteniendo lo siguiente:

Fc log · R CC log

0

r =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ (4.1)

donde Fc es el factor de concentración del concentrado

Page 53: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

Cr contenido de antocianinas en el concentrado, Co contenido antocianinas en la alimentación, Fc factor de concentración, t tiempo en min

44

CUADRO 9. Capacidad de retención de antocianinas de jugo de cranberries de la membrana HC-50P (DDS Filtration) en cada ensayo de nanofiltración.

1V•

= 1 L/min; = 6 L/min; = 12 L/min 6V•

12V•

CUADRO 10. Contenido de antocianinas de las muestras de concentrado obtenidas en el ensayo 5.

Muestra Cr (mg/L)

Cr/Co log (Cr/Co) Fc log Fc

t0t20

t40

t60

t80

t100

t120

t140

t160

t180

97,26

113,55

128,48

146,66

161,16

177,27

203,42

231,94

264,63

284,19

1,00

1,17

1,32

1,51

1,66

1,82

2,09

2,38

2,72

2,92

0,00

0,07

0,12

0,18

0,22

0,26

0,32

0,38

0,43

0,47

1,02

1,2

1,35

1,51

1,68

1,88

2,11

2,39

2,73

3,16

0,01

0,08

0,13

0,18

0,23

0,27

0,32

0,38

0,44

0,50

Retención de antocianinas totales

Presión = 20 bar Presión = 30 bar Presión = 40 bar

Factor calculado

1V•

6V

12V•

1V

6V•

12V

1V•

6V

12V•

Coeficiente de retención (R)

0,97 0,99 0,99 0,99 0,98 0,98 0,98 0,99 0,94

Recuperación en el concentrado (Y)

96% 99% 99% 99% 98% 98% 98% 98% 93%

Page 54: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

45

Con los datos obtenidos se realizó un gráfico logarítmico de (Cr/Co) versus Fc,

FIGURA 13, cuya pendiente corresponde al coeficiente de retención de

antocianinas.

y = 0,9773x - 0,0027R2 = 0,9948

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

log Fc

log

(Cr/C

o)

FIGURA 13. Cálculo del coeficiente de retención de antocianinas para el ensayo 5.

La recuperación de antocianinas en el concentrado se calculó utilizando la

ecuación (2.7) y reemplazando los valores correspondientes.

Los resultados obtenidos para los coeficientes de retención de antocianinas

totales varían entre 0,94 y 0,99, lo que indica que la membrana de nanofiltración

HC-50P utilizada retiene un alto porcentaje de los antocianos presentes en la

alimentación. Para todos los experimentos se obtuvo un porcentaje de

recuperación de antocianinas en el concentrado sobre un 93%.

Esta retención es bastante alta, si se compara con lo obtenido por REKTOR

et al. (2004) que utilizando OI lograron una retención de antocianinas de un

99,5 % para jugo de uva, con la desventaja de que la OI requiere presiones de

operación más altas y, por lo tanto, un mayor consumo de energía.

Page 55: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

46

En la FIGURA 14 se puede apreciar la diferencia de coloración entre las

muestras de permeado y concentrado obtenidas.

FIGURA 14. Muestras de concentrado y permeado.

El análisis estadístico (ANEXO 5) señala, con un 95% de confianza, que los

factores presión transmembrana y flujo volumétrico de alimentación no aportan

diferencias significativas al coeficiente de retención de antocianinas, en otras

palabras, la capacidad de retención de la membrana de nanofiltración no se ve

influenciada por los parámetros de operación estudiados.

Page 56: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

5. CONCLUSIONES

Fue posible concentrar las antocianinas de un jugo de cranberries mediante la

aplicación de nanofiltración a nivel de laboratorio.

El flujo de permeado es proporcional a la presión transmembrana y al flujo

volumétrico de alimentación.

Las condiciones que permiten obtener flujos de permeado mayores son una

presión entre 30 y 40 bar y un flujo volumétrico de alimentación entre 6 y

12 L/min. Sin embargo, el proceso se ve limitado por la excesiva formación de

espuma que se produce en condiciones de operación de 40 bar y 12 L/min.

A través del proceso de nanofiltración, con la membrana HC-50P DDS Filtration

es posible recuperar en el concentrado sobre un 93% de los pigmentos

antocianos presentes en el jugo de cranberries utilizado como alimentación.

La capacidad de retención de antocianinas de la membrana de nanofiltración

resultó independiente de la presión transmembrana y el flujo volumétrico de

alimentación.

Los resultados obtenidos avalan el uso de la tecnología de nanofiltración como

una variante de los métodos de concentración de jugos de fruta tradicionales

que involucran altas temperaturas y pérdida de nutrientes.

47

Page 57: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

6. RESUMEN

Se aplicó la tecnología de nanofiltración a jugo de cranberries (12,5 ºBrix), para

obtener un concentrado de antocianinas. El objetivo fue determinar el efecto de

la presión transmembrana y el flujo volumétrico de alimentación sobre el flujo de

permeado y la capacidad de retención de antocianinas de la membrana de

nanofiltración HC-50P DDS Filtration.

Se utilizó un equipo de membranas planas (DDS Lab Module-20) con 0,36 m2

de área efectiva de membrana. La temperatura de trabajo se mantuvo

constante a 20 ºC; se trabajó con presiones entre 20 y 40 bar y flujos

volumétricos de alimentación entre 1 y 12 L/min, filtrando hasta alcanzar un

factor de concentración de 3. Se realizaron análisis de pH, sólidos solubles,

densidad, acidez titulable y contenido de antocianinas a muestras de

alimentación, permeado y concentrado.

El flujo de permeado alcanzó un valor máximo de 41,3 L/h·m2 a 40 bar de

presión y 12 L/min. Al incrementar las presiones y los flujos volumétricos se

observó un aumento en los flujos de permeado; ambos factores influyeron

significativamente en este parámetro; no así en la retención de antocianinas. El

coeficiente de retención de antocianinas varió entre 94 y 99%, obteniendo un

concentrado con 290 mg/L de antocianinas y 29 ºBrix.

Se concluyó que el proceso utilizado permite concentrar gran parte de las

antocianinas del jugo de cranberries en el concentrado y obtener un permeado

con un mínimo de pigmentos; ambos productos podrían ser utilizados como

materia prima en la industria de alimentos.

48

Page 58: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

49

SUMMARY

Cranberry juice (12.5 ºBrix) was processed by nanofiltration to obtain an

anthocyanin concentrate. The aim of the present study was to determine the

effect of pressure and flow rate on the flux of permeate and the capacity of

anthocyanin retention of the nanofiltration membrane, HC-50P DDS Filtration.

A DDS Lab Module-20 plate-and-frame system with an effective membrane area

of 0,36 m2 was used. Process temperature was held constant at 20 ºC.

Pressures between 20 and 40 bar and flow rates between 1 and 12 L/min were

considered; the process was stopped when a concentration factor near to 3 was

achieved. Measurements of pH, soluble solids, density, titrable acidity and

anthocyanin content were performed on samples of feed solution, permeate and

concentrate.

The maximum flux rate achieved was 41.3 L/h·m2 at a pressure of 40 bar and a

flow rate of 12 L/min. Experiments showed that flux would increase with

pressure and flow rate; both parameters had a significant effect on permeate

flux, however, none of them had a significant effect on anthocyanin retention,

which varied between 94% and 99%, while a concentrate with 290 mg/L of

anthocyanin and 29 ºBrix was obtained.

Finally through the nanofiltration process used, it is possible to concentrate most

of the anthocyanins of cranberry juice in the concentrate and to obtain a

permeate with a low content of these pigments; both products could be used as

ingredients in the food industry.

Page 59: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

7. BIBLIOGRAFÍA ASSOCIATION OF OFFICIAL ANALYTICAL CHEMISTS. 2000. Official Methods

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Page 62: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

ANEXOS

53

Page 63: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

54

ANEXO 1 Determinación del contenido de antocianinas

WROLSTAD, R. 1976. Color and Pigment Analyses in Fruit Products. Oregon

State University Agricultural Experiment Station Bulletin 624.

Principio del método

A pH 1,0 las antocianinas existen en forma altamente coloreada y a pH 4,5

están predominantemente en forma incolora. Una alícuota de una solución

acuosa de antocianinas es ajustada a pH 1,0 y otra a pH 4,5. La diferencia en la

absorbancia a la longitud de onda de máxima absorción será proporcional al

contenido de antocianinas.

Reactivos

• Buffer pH 4,5: 400 ml de acetato de sodio 1M

+ 240 ml de HCl 1N

+ 360 ml de agua destilada

• Buffer pH 1,0: 125 ml de KCl 0,2 N

+ 385 ml de HCl 0,2 N

El pH de los buffers debe ser ajustado a medida que se requiera para obtener

valores de pH final de 1,0 y 4,5.

Materiales

• Pipetas 10 mL y 1 mL parciales

• Matraces 50 mL o 100 mL

• Probetas de 100 mL

• Cubetas para espectrofotómetro

Método

Para medir la absorbancia, el jugo debe ser diluido con buffer. La dilución debe

ser tal que la muestra a pH 1,0 tenga una absorbancia menor a 1,0 y

Page 64: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

55

(Continuación ANEXO 1)

preferentemente en el rango de 0,4 a 0,6. El factor de dilución debe ser el

mismo para ambas muestras (pH 1,0 y pH 4,5). Por ejemplo, tomar 10 ml de

jugo y diluir a 50 ml (factor de dilución 5). Las muestras diluidas deben estar

claras, sin turbidez ni sedimento. Cualquier sedimento debería ser removido

centrifugando o filtrando la muestra. Si la muestra está libre de turbidez, la

absorbancia a 700 nm debería ser 0. La turbidez puede ser corregida midiendo

la absorbancia a 700 nm y sustrayendo este valor de la absorbancia a la

longitud de onda de máxima absorción (510-540).

Una vez diluidas las muestras se mide su absorbancia (pH 4,5 y pH 1,0) a la

longitud de onda de máxima absorción (entre 510 y 540 nm).

La determinación del contenido de antocianinas está basada en la Ley de

Lambert-Beer (A=ε·C·L). A corresponde a la absorbancia que es medida con un

espectrofotómetro. ε corresponde a la absorbancia molar, una constante física

para especies moleculares en un solvente a una determinada longitud de onda.

Se pueden utilizar los valores de absorbancia molar para pigmentos purificados

tomados de la literatura, haciendo innecesario determinarlos. La absorbancia

molar también se conoce como coeficiente de extinción molar. C es la

concentración molar y al reestructurar la ecuación de Lambert-Beer esta sería

L·AC

ε=

L es la longitud de recorrido en cm y la mayoría de las cubetas para

espectrofotómetro tienen una longitud de 1. La concentración en mg/L puede

ser determinada multiplicando por el peso molecular (MW) del pigmento.

3(mg/l) 10 · MW ·

L·A C

ε= · Factor de dilución

Page 65: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

56

(Continuación ANEXO 1)

Para el cálculo del contenido de antocianinas se utiliza el peso molecular y la

absorbancia molar del pigmento antociano presente en mayor proporción. En el

jugo de cranberry se encuentra principalmente cianidina-3-galactósido, cuyo

peso molecular es 449,2 y su absorbancia molar 46230 (GIUSTI y WROLSTAD,

2001).

La absorbancia se obtiene sustrayendo el valor obtenido a pH 4,5 del valor

obtenido a pH 1,0. Ejemplo:

A = (A515 nm pH 1,0 – A700 nm pH 1,0) – (A515 nm pH 4,5 – A700nm pH 4,5)

Debería enfatizarse que el método basado en el diferencial de pH es una

medida de las antocianinas monoméricas y los resultados pueden parecer no

relacionados con la intensidad de color de las muestras de jugo o vino,

juzgando visualmente. Esto se debe a que las antocianinas poliméricas y los

pigmentos pardos que surgen del pardeamiento enzimático, Reacción de

Maillard y degradación de antocianinas también contribuyen a la intensidad del

color. Algunos investigadores han reportado contenido de antocianinas donde la

absorbancia fue medida sólo a pH 1,0, y no hubo sustracción de la absorbancia

a pH 4,5. Los resultados determinados de esta manera deberían ser similares a

aquellos con el método de diferencial de pH para productos frescos donde la

presencia de pigmentos poliméricos pardos fuera insignificante. En productos

donde ha ocurrido pardeamiento y degradación de antocianinas, debería

obtenerse una mejor correlación con la intensidad del color, pero no sería una

medición precisa del contenido de antocianinas, per se.

Page 66: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

ANEXO 2 Factor de concentración del retenido en función del tiempo de proceso

Factor de concentración retenido Fc

57

Presión = 20 bar Presión = 30 bar Presión = 40 bar

Tiempo (min)

1V•

6V•

21V•

1V•

6V•

21V•

1V•

6V•

21V•

1 1,01 1,01 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02 1,03 5 1,05 1,05 1,05 1,06 1,07 1,07 1,06 1,08 1,09

10 1,08 1,08 1,09 1,10 1,11 1,13 1,10 1,14 1,15 20 1,13 1,14 1,15 1,17 1,20 1,22 1,17 1,24 1,26 40 1,24 1,25 1,27 1,30 1,35 1,39 1,31 1,46 1,50 60 1,33 1,36 1,39 1,44 1,51 1,58 1,46 1,70 1,77 80 1,44 1,49 1,51 1,59 1,68 1,79 1,62 1,98 2,13 100 1,56 1,61 1,65 1,76 1,88 2,03 1,82 2,34 2,63 120 1,68 1,76 1,81 1,96 2,11 2,34 2,06 2,83 3,40 140 1,82 1,91 1,99 2,19 2,39 2,71 2,34 3,54 - 160 1,97 2,09 2,20 2,46 2,73 3,19 2,70 - - 180 2,15 2,30 2,45 2,80 3,16 - 3,16 - - 200 2,35 2,55 2,74 3,23 - - - - - 220 2,59 2,83 3,09 - - - - - - 240 2,87 3,18 - - - - - - - 260 3,20 - - - - - - - -

1V•

= 1 L/min; 6V•

= 6 L/min; 12V•

= 12 L/min

Page 67: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

ANEXO 3 Flujo instantáneo de permeado en función del tiempo de proceso

Flujo de permeado (L/h·m2)

58

Presión = 20 bar Presión = 30 bar Presión = 40 bar

Tiempo (min)

1V•

6V•

21V•

1V•

6V•

21V•

1V•

6V•

21V•

1 20,48 24,44 26,96 24,97 31,62 36,30 25,25 37,78 41,31 5 13,36 13,00 13,61 16,21 17,68 19,25 15,98 22,72 23,12

10 9,58 10,02 10,72 12,43 13,86 14,63 11,76 15,82 17,04 20 7,56 8,09 8,47 9,02 10,42 11,11 9,14 12,00 13,01 40 5,99 6,26 6,52 7,13 7,64 8,38 7,68 9,75 10,18 60 5,04 5,64 5,69 6,20 6,56 7,34 6,50 8,04 8,70 80 4,57 4,98 5,10 5,54 5,77 6,14 5,86 7,03 7,90 100 4,31 4,47 4,60 5,02 5,20 5,57 5,48 6,55 7,44 120 3,92 4,14 4,44 4,76 4,90 5,33 5,33 6,17 7,11 140 3,77 3,89 4,19 4,43 4,61 4,95 4,91 5,83 - 160 3,61 3,76 3,92 4,27 4,32 4,64 4,71 - - 180 3,43 3,60 3,80 4,14 4,13 - 4,52 - - 200 3,37 3,50 3,60 3,95 - - - - - 220 3,23 3,32 3,48 - - - - - - 240 3,14 3,24 - - - - - - - 260 3,05 - - - - - - - -

1V•

= 1 L/min; 6V•

= 6 L/min; 12V•

= 12 L/min

Page 68: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

59

ANEXO 4 Análisis estadístico realizado en Statgraphics Plus 5.1 para estudiar el

efecto de condiciones de operación sobre el flujo de permeado

Análisis de Varianza para Flujo permeado - Sumas de Cuadrados de Tipo III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Fuente Suma de cuadrados GL Cuadrado Medio Cociente-F P-Valor -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- EFECTOS PRINCIPALES A:Presión transmembrana 30,1257 2 15,0629 864,58 0,0000 B:Flujo volumétrico 6,88972 2 3,44486 197,73 0,0000 alimentación INTERACCIONES AB 4,26208 4 1,06552 61,16 0,0000 RESIDUOS 0,3136 18 0,0174222 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- TOTAL (CORREGIDO) 41,5911 26 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Los cocientes F están basados en el error cuadrático medio residual.

Contraste Múltiple de Rangos para Flujo permeado según Presión transmembrana ---------------------------------------------------------------------------------------------- Método: 95,0 porcentaje LSD Nivel Recuento Media LS Sigma LS Grupos Homogéneos ---------------------------------------------------------------------------------------------- 20 9 3,25444 0,0439978 X 30 9 4,23889 0,0439978 X 40 9 5,81889 0,0439978 X ---------------------------------------------------------------------------------------------- Contraste Diferencias +/- Límites ---------------------------------------------------------------------------------------------- 20 - 30 *-0,984444 0,130724 20 - 40 *-2,56444 0,130724 30 - 40 *-1,58 0,130724 ----------------------------------------------------------------------------------------------

* indica una diferencia significativa.

Page 69: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

60

(Continuación ANEXO 4)

Contraste Múltiple de Rangos para Flujo permeado según Flujo volumétrico alimentación ---------------------------------------------------------------------------------------------- Método: 95,0 porcentaje LSD Nivel Recuento Media LS Sigma LS Grupos Homogéneos ---------------------------------------------------------------------------------------------- 1 9 3,83889 0,0439978 X 6 9 4,39889 0,0439978 X 12 9 5,07444 0,0439978 X ---------------------------------------------------------------------------------------------- Contraste Diferencias +/- Límites ---------------------------------------------------------------------------------------------- 1 - 12 *-1,23556 0,130724 1 - 6 *-0,56 0,130724 12 - 6 *0,675556 0,130724 ----------------------------------------------------------------------------------------------

Page 70: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

61

ANEXO 5 Análisis estadístico realizado en Statgraphics Plus 5.1 para estudiar el

efecto de condiciones de operación sobre el coeficiente de retención de antocianinas

Análisis de la Varianza para Coeficiente retención antocianinas - Sumas de Cuadrados de Tipo III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Fuente Suma de cuadrados GL Cuadrado Medio Cociente-F P-Valor -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- EFECTOS PRINCIPALES A:Presión transmembrana 0,00125185 2 0,000625926 1,48 0,2535 B:Flujo volumétrico 0,00082963 2 0,000414815 0,98 0,3936 alimentación INTERACCIONES AB 0,00443704 4 0,00110926 2,63 0,0688 RESIDUOS 0,0076 18 0,000422222 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- TOTAL (CORREGIDO) 0,0141185 26 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Los cocientes F están basados en el error cuadrático medio residual. Contraste Múltiple de Rangos para Coeficiente de retención de antocianinas según Presión transmembrana -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Método: 95,0 porcentaje LSD Factor_A Recuento Media LS Sigma LS Grupos Homogéneos -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 40 9 0,967778 0,00684935 X 30 9 0,982222 0,00684935 X 20 9 0,982222 0,00684935 X -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Contraste Diferencias +/- Límites -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 20 - 30 0,0 0,0203505 20 - 40 0,0144444 0,0203505 30 - 40 0,0144444 0,0203505 -------------------------------------------------------------------------------- * indica una diferencia significativa.

Page 71: Concentración de Antocianinas en Jugo de Cranberries

62

(Continuación ANEXO 5)

Contraste Múltiple de Rangos para Coeficiente de retención de antocianinas según Flujo volumétrico de alimentación -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Método: 95,0 porcentaje LSD Factor_B Recuento Media LS Sigma LS Grupos Homogéneos -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 12 9 0,97 0,00684935 X 1 9 0,978889 0,00684935 X 6 9 0,983333 0,00684935 X -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Contraste Diferencias +/- Límites -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 - 12 0,00888889 0,0203505 1 - 6 -0,00444444 0,0203505 12 - 6 -0,0133333 0,0203505 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- * indica una diferencia significativa.